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WO2024237148A1 - 成形システム、成形装置、及び成形方法 - Google Patents

成形システム、成形装置、及び成形方法 Download PDF

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WO2024237148A1
WO2024237148A1 PCT/JP2024/017153 JP2024017153W WO2024237148A1 WO 2024237148 A1 WO2024237148 A1 WO 2024237148A1 JP 2024017153 W JP2024017153 W JP 2024017153W WO 2024237148 A1 WO2024237148 A1 WO 2024237148A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
forming
molding
metal pipe
treatment
aging treatment
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/017153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
遼平 池田
公宏 野際
雅史 川上
智美 前野
祐太 杉山
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友重機械工業株式会社 filed Critical 住友重機械工業株式会社
Publication of WO2024237148A1 publication Critical patent/WO2024237148A1/ja

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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D24/00—Special deep-drawing arrangements in, or in connection with, presses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/033—Deforming tubular bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • This disclosure relates to a molding system, a molding device, and a molding method.
  • Patent Document 1 A conventional molding device for forming metal materials is described in Patent Document 1. This molding device forms parts of a desired shape by pressing the metal material.
  • Parts formed by the above-mentioned forming apparatus are used to construct specified structures. For example, weight reduction is being promoted in the field of automobiles to improve fuel efficiency and protect the environment. For this reason, materials that undergo solution, such as heat-treatable aluminum alloys, are used, and the formed products are quenched by heating, expansion forming, and then rapidly cooling by removing heat through contact with a mold.
  • materials that undergo solution such as heat-treatable aluminum alloys
  • the present disclosure therefore aims to provide a molding system, molding device, and molding method that can improve the strength of molded products while ensuring the dimensional accuracy of the molded products.
  • the forming device forms the heated metal material to perform quenching.
  • the aging treatment device then performs aging treatment on the formed product formed by the forming device.
  • the forming device forms the metal material after solution treatment and artificial aging treatment. Therefore, even when rapid heating is performed in the forming device with a small amount of heat input, the precipitates of the metal material are in a solid solution state. Therefore, in the subsequent aging treatment device, the precipitates can be made to be finely dispersed in the formed product (see, for example, Figure 8). This can improve the strength of the formed product.
  • the dimensional accuracy of the formed product can also be prevented from decreasing. As a result, the strength of the formed product can be improved while maintaining the dimensional accuracy of the formed product.
  • the forming device may be used to form metal materials after T6 treatment. In this case, the strength of the formed product after aging treatment can be improved.
  • the metal material may be an aluminum alloy.
  • Aluminum alloys have a low specific gravity and can reduce the weight of molded products.
  • the forming device may form a metal material heated to 400°C or higher. This allows the precipitates to form into a solid solution.
  • the forming device is a forming device that performs quenching by forming a heated metal material, and forms a formed product in which the solid solution state of the precipitates is maintained at the stage after forming and before aging treatment is performed.
  • This forming device can form a molded product in which the precipitates maintain their solid solution state after forming and before aging treatment is performed. Therefore, in the subsequent aging treatment device, the precipitates can be made to be finely dispersed within the molded product (see Figure 8, for example). This can improve the strength of the molded product. In addition, since there is no need to perform solution treatment or the like to improve strength after forming in the forming device, a decrease in the dimensional accuracy of the molded product can also be suppressed. As a result, the strength of the molded product can be improved while maintaining the dimensional accuracy of the product.
  • the forming method according to one embodiment of the present disclosure is a forming method for forming a metal material, in which the metal material is heated after solution treatment and artificial aging treatment, formed, and quenched.
  • This molding method can achieve the same effects and benefits as the molding system described above.
  • This disclosure provides a molding system, molding device, and molding method that can improve the strength of molded products while ensuring their dimensional accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a molding system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a molding device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 2(a) is a schematic side view showing the thermal expansion unit
  • Fig. 2(b) is a cross-sectional view showing the state when the nozzle seals the metal pipe material.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a process image in Comparative Example 1.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between material temperature and strength and time in Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between material temperature and strength and time in Comparative Example 3.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between material temperature and strength and time in Comparative Example 4.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a molding system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a molding device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 2(a) is a schematic
  • FIG. 1 is a diagram showing the relationship between material temperature and strength and time in an embodiment.
  • 1 is a graph showing the relationship between Vickers hardness and aging time in Comparative Example 2 and the Examples.
  • 1 is a graph showing the relationship between heating temperature and hardness when T6 treated material is subjected to rapid heating and water cooling, and then artificial aging and natural aging.
  • 1 is a graph showing an image of the relationship between thermal aging time, strength, precipitate size, and precipitate density of a precipitation hardened aluminum alloy.
  • FIG. 1 is an image diagram showing the process of change in precipitate size and precipitate density in the material during the manufacturing process of Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • FIG. 1 is a block diagram of a molding system 100 according to this embodiment.
  • the molding system 100 is a system for molding a metal material.
  • an aluminum alloy metal pipe material is used as the metal material. This results in a metal pipe being molded as a molded product.
  • the metal material is not limited to an aluminum alloy as long as it can be subjected to solution treatment, and a nickel alloy or the like may also be used.
  • the forming system 100 includes a forming device 1 and an aging treatment device 101.
  • the forming device 1 is a device that performs quenching by expanding and forming a heated metal material.
  • the forming device 1 forms a metal pipe by a forming method called STAF (Steel Tube Air Forming) forming.
  • the aging treatment device 101 is a device that performs aging treatment on the metal pipe formed by the forming device 1.
  • the aging treatment device 101 is composed of, for example, a furnace that heats the metal pipe for a predetermined period of time immediately after forming.
  • the formed metal pipe is removed from the forming device 1 and transported to the aging treatment device 101 by a transport mechanism or the like.
  • the aging treatment device 101 performs heating at, for example, 100 to 170°C for 12 to 24 hours.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the molding device 1 according to this embodiment.
  • the molding device 1 is a device that molds a metal pipe having a hollow shape by blow molding.
  • the molding device 1 is installed on a horizontal surface.
  • the molding device 1 includes a molding die 2, a drive mechanism 3, a holding unit 4, a heating unit 5, a fluid supply unit 6, a cooling unit 7, and a control unit 8.
  • the metal pipe material 40 (metal material) refers to a hollow article before the completion of molding in the molding device 1.
  • the metal pipe material 40 is a pipe material of a steel type that can be hardened.
  • the direction in which the metal pipe material 40 extends during molding may be referred to as the "longitudinal direction”
  • the direction perpendicular to the longitudinal direction may be referred to as the "width direction”.
  • the forming die 2 is a die for forming a metal pipe from the metal pipe material 40, and includes a lower die 11 and an upper die 12 that face each other in the vertical direction.
  • the lower die 11 and the upper die 12 are made of steel blocks.
  • Each of the lower die 11 and the upper die 12 has a recess for accommodating the metal pipe material 40.
  • each recess forms a space of the target shape in which the metal pipe material is to be formed. Therefore, the surface of each recess becomes the forming surface of the forming die 2.
  • the lower die 11 is fixed to the base 13 via a die holder or the like.
  • the upper die 12 is fixed to the slide of the drive mechanism 3 via a die holder or the like.
  • the drive mechanism 3 is a mechanism that moves at least one of the lower die 11 and the upper die 12. In FIG. 2, the drive mechanism 3 is configured to move only the upper die 12.
  • the drive mechanism 3 includes a slide 21 that moves the upper die 12 so that the lower die 11 and the upper die 12 are aligned, a pullback cylinder 22 as an actuator that generates a force to pull the slide 21 upward, a main cylinder 23 as a drive source that pressurizes the slide 21 downward, and a drive source 24 that applies a drive force to the main cylinder 23.
  • the holding unit 4 is a mechanism for holding the metal pipe material 40 disposed between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the holding unit 4 includes a lower electrode 26 and an upper electrode 27 for holding the metal pipe material 40 at one end in the longitudinal direction of the mold 2, and a lower electrode 26 and an upper electrode 27 for holding the metal pipe material 40 at the other end in the longitudinal direction of the mold 2.
  • the lower electrode 26 and the upper electrode 27 on both sides in the longitudinal direction hold the metal pipe material 40 by sandwiching the end of the metal pipe material 40 from above and below.
  • a groove having a shape corresponding to the outer peripheral surface of the metal pipe material 40 is formed on the upper surface of the lower electrode 26 and the lower surface of the upper electrode 27.
  • the lower electrode 26 and the upper electrode 27 are provided with a driving mechanism (not shown) and can move independently in the vertical direction.
  • the heating unit 5 heats the metal pipe material 40.
  • the heating unit 5 is a mechanism that heats the metal pipe material 40 by passing electricity through the metal pipe material 40.
  • the heating unit 5 heats the metal pipe material 40 between the lower mold 11 and the upper mold 12 while the metal pipe material 40 is separated from the lower mold 11 and the upper mold 12.
  • the heating unit 5 includes a lower electrode 26 and an upper electrode 27 on both sides of the longitudinal direction as described above, and a power source 28 that passes current through these electrodes 26, 27 to the metal pipe material 40.
  • the heating unit may be disposed in a process preceding the molding device 1 and may be an external heating unit.
  • the fluid supply unit 6 is a mechanism for supplying high-pressure fluid into the metal pipe material 40 held between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the fluid supply unit 6 supplies high-pressure fluid to the metal pipe material 40, which has been heated by the heating unit 5 to a high temperature, to expand the metal pipe material 40.
  • the fluid supply unit 6 is provided on both ends of the longitudinal direction of the mold 2.
  • the fluid supply unit 6 includes a nozzle 31 that supplies fluid to the inside of the metal pipe material 40 from an opening at the end of the metal pipe material 40, a drive mechanism 32 that moves the nozzle 31 back and forth relative to the opening of the metal pipe material 40, and a supply source 33 that supplies high-pressure fluid into the metal pipe material 40 through the nozzle 31.
  • the drive mechanism 32 brings the nozzle 31 into close contact with the end of the metal pipe material 40 while ensuring sealing when supplying and discharging fluid, and moves the nozzle 31 away from the end of the metal pipe material 40 at other times.
  • the fluid supply unit 6 may supply a gas such as high-pressure air or an inert gas as the fluid.
  • the fluid supply unit 6 may be integrated into the same device as the holding unit 4, which has a mechanism for moving the metal pipe material 40 in the vertical direction, and the heating unit 5.
  • FIG. 3(a) is a schematic side view showing the thermal expansion unit 150.
  • FIG. 3(b) is a cross-sectional view showing the state when the nozzle 31 seals the metal pipe material 40.
  • the thermal expansion unit 150 comprises the above-mentioned lower electrode 26 and upper electrode 27, an electrode mounting unit 151 mounting the electrodes 26, 27, the above-mentioned nozzle 31 and drive mechanism 32, a lifting unit 152, and a unit base 153.
  • the electrode mounting unit 151 comprises a lifting frame 154 and electrode frames 156, 157.
  • the electrode frames 156, 157 function as part of the drive mechanism 60 that supports and moves the electrodes 26, 27.
  • the drive mechanism 32 drives the nozzle 31, and lifts and lowers together with the electrode mounting unit 151.
  • the drive mechanism 32 comprises a piston 61 that holds the nozzle 31, and a cylinder 62 that drives the piston.
  • the lifting unit 152 includes a lifting frame base 64 attached to the upper surface of the unit base 153, and a lifting actuator 66 that applies lifting and lowering motion to the lifting frame 154 of the electrode mounting unit 151 by means of the lifting frame base 64.
  • the lifting frame base 64 has guide parts 64a and 64b that guide the lifting and lowering motion of the lifting frame 154 relative to the unit base 153.
  • the lifting unit 152 functions as part of the drive mechanism 60 of the holding part 4.
  • the thermal expansion unit 150 has multiple unit bases 153 with different inclination angles of the upper surface, and by replacing these, it is possible to change and adjust the inclination angles of the lower electrode 26, upper electrode 27, nozzle 31, electrode mounting unit 151, drive mechanism 32, and lifting unit 152 all at once.
  • the nozzle 31 is a cylindrical member into which the end of the metal pipe material 40 can be inserted.
  • the nozzle 31 is supported by the drive mechanism 32 so that the center line of the nozzle 31 coincides with the reference line SL1.
  • the inner diameter of the supply port 31a at the end of the nozzle 31 on the metal pipe material 40 side approximately coincides with the outer diameter of the metal pipe material 40 after expansion molding.
  • the nozzle 31 supplies high-pressure fluid from the internal flow path 63 to the metal pipe material 40.
  • An example of a high-pressure fluid is gas.
  • the cooling unit 7 is a mechanism for cooling the forming die 2. By cooling the forming die 2, the cooling unit 7 can rapidly cool the expanded metal pipe material 40 when it comes into contact with the forming surface of the forming die 2.
  • the cooling unit 7 includes flow paths 36 formed inside the lower die 11 and the upper die 12, and a water circulation mechanism 37 that supplies cooling water to the flow paths 36 and circulates it.
  • the control unit 8 is a device that controls the entire molding device 1.
  • the control unit 8 controls the drive mechanism 3, the holding unit 4, the heating unit 5, the fluid supply unit 6, and the cooling unit 7.
  • the control unit 8 repeatedly performs the operation of molding the metal pipe material 40 in the molding die 2.
  • control unit 8 controls the timing of conveyance from a conveying device such as a robot arm, and places the metal pipe material 40 between the lower die 11 and the upper die 12 in the open state.
  • the control unit 8 may have an operator manually place the metal pipe material 40 between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the control unit 8 also controls the actuators of the holding unit 4 to support the metal pipe material 40 with the lower electrodes 26 on both sides in the longitudinal direction, and then lower the upper electrode 27 to sandwich the metal pipe material 40.
  • the control unit 8 also controls the heating unit 5 to electrically heat the metal pipe material 40. As a result, an axial current flows through the metal pipe material 40, and the metal pipe material 40 itself generates heat through Joule heat due to the electrical resistance of the metal pipe material 40 itself.
  • the control unit 8 controls the drive mechanism 3 to lower the upper die 12 and bring it close to the lower die 11, and closes the mold 2. Meanwhile, the control unit 8 controls the fluid supply unit 6 to seal the openings at both ends of the metal pipe material 40 with the nozzle 31 and supply fluid. As a result, the metal pipe material 40 softened by heating expands and comes into contact with the molding surface of the mold 2. The metal pipe material 40 is then molded to fit the shape of the molding surface of the mold 2. When a metal pipe with a flange is formed, a part of the metal pipe material 40 is inserted into the gap between the lower die 11 and the upper die 12, and then the mold is closed to crush the inserted part and form a flange part. When the metal pipe material 40 comes into contact with the molding surface, it is quenched by the mold 2 cooled by the cooling unit 7, and the metal pipe material 40 is quenched.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a process image in Comparative Example 1.
  • the heating furnace 202 heats the plate material 210 at about 500° C.
  • the plate material 210 is a material that has not been previously subjected to solution treatment, such as a cast material or an extruded material.
  • the forming device 200 forms the plate material 210 into a formed product 211.
  • the formed product 211 is quenched by quenching.
  • the treatment by the heating furnace 202 and the forming device 200 corresponds to a solution treatment.
  • the aging treatment device 201 performs artificial aging treatment of the formed product 211.
  • FIG. 5(a) shows graph GA1, which shows the relationship between material temperature and time, and graph GA2, which shows the relationship between material strength and time, in Comparative Example 1.
  • plate material 210 is heated to a temperature equivalent to solution treatment by furnace heating and held at that temperature, and then quenched and formed using a die in forming device 200.
  • the desired strength is obtained by performing artificial aging treatment (10 to 24 hours) called T6 treatment in aging treatment device 201.
  • T6 treatment in aging treatment device 201.
  • “PA1” is the location where the solution treatment temperature is held for several minutes.
  • PA2 is the location where hot pressing is performed.
  • PA3 is the location where die quenching is performed.
  • PA4" is the location where artificial aging treatment is performed.
  • Comparative Example 2 an example is shown in which STAF forming (forming using the forming device shown in Figures 2 and 3) is performed using metal pipe material that has not been previously subjected to solution treatment, such as cast material or extruded material.
  • Figure 5(b) shows graph GB1, which shows the relationship between material temperature and time, and graph GB2, which shows the relationship between material strength and time, in Comparative Example 2.
  • PB1 is the location where electrical heating is performed.
  • PB2 is the location where expansion forming is performed.
  • PB3 is the location where artificial aging treatment is performed.
  • the heating method is electrical heating, so there is no rapid heating or holding step when the heating temperature is reached. Therefore, as shown by "A" in the figure, sufficient solution treatment time is not ensured. Therefore, as shown in graph GB2, the desired strength equivalent to T6 treatment is not obtained even after artificial aging treatment. In contrast, in the STAF forming process, the desired strength can be obtained by performing T6 treatment after electrical heating and forming.
  • T6 treatment is a solution treatment of metal pipe material followed by artificial aging treatment.
  • T6 treatment is a solution treatment of metal pipe material followed by artificial aging treatment.
  • Comparative Example 3 hot stamp processing using a plate material after T6 treatment is illustrated.
  • the plate material is heated in a heating furnace.
  • the forming device forms the plate material.
  • the heating furnace and forming device shown in FIG. 4 may be used.
  • FIG. 6 shows a graph GF1 showing the relationship between the material temperature and time, and a graph GF2 showing the relationship between the material strength and time in Comparative Example 3.
  • the plate material is heated to 200 to 300°C by furnace heating, and then quenched and formed using a die in the forming device.
  • PF1" is the location where heating is performed.
  • PF2 is the location where hot pressing is performed.
  • PF3 is the location where die quenching is performed.
  • Comparative Example 3 there is a problem that the heating temperature is low, so the deformation resistance during forming is high, and there are restrictions on the formed shape.
  • Comparative Example 4 hot stamp processing using a solution-treated sheet material is illustrated.
  • This sheet material is not subjected to artificial aging treatment after solution treatment.
  • the sheet material is heated in a heating furnace.
  • the forming device forms the sheet material.
  • the desired strength is obtained by performing artificial aging treatment (10 to 24 hours) called T6 treatment in the aging treatment device.
  • T6 treatment As the heating furnace, forming device, and aging treatment device, those shown in Figure 4 may be used.
  • Figure 7 shows a graph GH1 showing the relationship between the material temperature and time in Comparative Example 4, and a graph GH2 showing the relationship between the material strength and time.
  • the sheet material is heated to 350 to 450 ° C.
  • PH1 is the part where heating is performed.
  • PH2 is the part where hot pressing is performed.
  • PH3 is the part where die quenching is performed.
  • PH4 is the area where artificial aging treatment has been carried out.
  • Comparative Example 4 the material used is after solution treatment, and therefore is in a supersaturated state (i.e., the material is in a thermally unstable state), and depending on the storage conditions (time, temperature, etc.) of the material, natural aging progresses before press forming. This causes a problem of variation in strength after press processing and artificial aging (see GH2x in phantom). Also, in Comparative Example 4, if the heating temperature is set to a high temperature of 500°C or higher, frictional heat between the die and the material during processing causes the material to seize onto the die.
  • the forming system 100 forms the metal pipe material 40 after solution treatment and artificial aging treatment in the forming device 1.
  • the metal pipe material 40 after T6 treatment is formed.
  • electrical heating, forming, and artificial aging treatment using the metal pipe material 40 after T6 treatment it is possible to obtain a molded product of the forming system 100 with strength equivalent to that of T6 treated material.
  • FIG. 8 shows graph GK1, which shows the relationship between material temperature and time, and graph GK2, which shows the relationship between material strength and time, in the molding system 100 according to the embodiment.
  • PK1 in the figure is the location where electrical heating is performed. Here, the heating temperature is raised to 400-610°C. 610°C is a temperature below the melting temperature.
  • PK2 is the location where expansion molding is performed.
  • PK3 is the location where artificial aging treatment is performed.
  • Figure 9(a) shows the aging characteristics when a material that has not been subjected to T6 treatment (as-cast or as-extruded material) is used as the forming material, as in Comparative Example 2.
  • Figure 9(b) shows the aging characteristics when A6063 T6-treated material (Example) is used as the forming material, and after rapid heating to a heating temperature of 520°C and water cooling, artificial aging and natural aging are performed.
  • Figure 9(a) shows a graph GC1 showing the natural aging characteristics, and a graph GC2 showing the artificial aging characteristics.
  • Figure 9(a) also shows a reference line ST1 showing the hardness after annealing (27.0 HV), and a reference line ST2 showing the hardness of the T6-treated material (82.4 HV).
  • Figure 9(b) shows a graph GD1 showing the natural aging characteristics, and a graph GD2 showing the artificial aging characteristics.
  • FIG. 9(b) also shows a reference line ST2 indicating the hardness of T6 treated material (82.4 HV).
  • the material that has not been subjected to T6 treatment shows only a slight increase in hardness even after artificial aging treatment.
  • the hardness of the material that has been subjected to T6 treatment increases with the artificial aging time, and after about 12 hours it shows the same hardness as the T6 treated material. In other words, it can be said that the solution treatment is performed even when the material is rapidly heated.
  • Figure 10 is a graph showing the relationship between heating temperature and hardness when A6063 T6 treated material is rapidly heated to a heating temperature of 200-520°C, water cooled, and then artificially and naturally aged.
  • Graph GL is shown in Figure 10, which shows the relationship between heating temperature and hardness after water cooling.
  • a heating temperature of 400°C 16 hours of artificial aging can be achieved to obtain a hardness equivalent to that of T6 treated material, and at a heating temperature of 520°C, 12 hours of artificial aging can be achieved.
  • the hardness obtained by artificial aging is harder than the hardness obtained by natural aging for 7 days.
  • Figure 11 is a graph showing the relationship between the thermal aging time of a precipitation-hardened aluminum alloy and the strength (graph GE1), precipitate size (graph GE2), and precipitate density (graph GE3).
  • the upper part of the graph in Figure 11 shows an image of precipitates in the material as the thermal aging time progresses.
  • the atoms that make up the precipitates are completely in solid solution (state 1).
  • the thermal aging time progresses
  • the atoms that make up the precipitates are in the process of gradually precipitating (state 2).
  • state 3 As the thermal aging time progresses further, the atoms that make up the precipitates are completely precipitated (state 3).
  • the number density and size of the precipitates also increase.
  • Figure 12 is an image diagram showing the process of change in precipitate size and precipitate density in the material during the manufacturing process of Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • Figures 6 to 8 and Figure 12 the state of precipitates in the material during the processing process for each Comparative Example or Example is associated with States 1 to 5 described in Figure 11.
  • the precipitates are finely dispersed in the material (T6-treated sheet material) (State 3).
  • the size of the precipitates increases during the heating process (State 4), and processing strain is imparted in the subsequent forming process, but the strength is lower than that of the T6-treated material due to the thermal energy imparted during heating.
  • the precipitates are in solid solution in the material (solution-treated sheet) (State 1).
  • the material is heated to a temperature of 350-450°C, and then immediately cooled in a mold, suppressing the formation of precipitates (State 2).
  • artificial aging treatment is performed, making it possible to obtain strength equivalent to T6 treatment (State 3).
  • the material used is one that has undergone T6 treatment, so the precipitates are finely dispersed in the material (state 3).
  • the precipitates are dissolved by heating to a temperature of 400-610°C in the heating process (state 1). After quenching after forming, the precipitates are not precipitated by quenching, and the solid solution state is maintained (state 1). Finally, the precipitates are finely dispersed by artificial aging (state 3). This makes it possible to obtain strength equivalent to that of T6 treatment.
  • the state immediately after molding by the molding device 1 corresponds to the state "State 1" shown as "After molding and rapid cooling". After that, artificial aging is performed in the aging treatment device 101, resulting in a state "After artificial aging”.
  • the molding device 1 according to this embodiment forms a molded product in which the solid solution state of precipitates is maintained at the stage after molding and before aging treatment is performed.
  • the molding device 1 performs quenching by expanding and forming the heated metal material. Then, the aging treatment device 101 performs aging treatment of the molded product formed by the molding device 1. In contrast, the molding device 1 performs solution treatment and then artificial aging treatment to mold the metal material. Therefore, even if the molding device 1 performs rapid heating with a small amount of heat input, the precipitates of the metal material are in a solid solution state. Therefore, the subsequent aging treatment device 101 can create a state in which the precipitates are finely dispersed in the molded product (see, for example, "Example” in Figure 8). This can improve the strength of the molded product.
  • the dimensional accuracy of the molded product can be prevented from decreasing.
  • the strength of the molded product can be improved while maintaining the dimensional accuracy of the molded product.
  • metal materials after T6 treatment may be molded.
  • the strength of the molded product after aging treatment can be improved.
  • the metal material after T6 treatment is in a thermally stable state, it is possible to reduce the variation in material quality due to the storage state.
  • the metal material may be an aluminum alloy.
  • Aluminum alloys have a low specific gravity and can reduce the weight of molded products.
  • the molding device 1 may mold a metal material heated to 400°C or higher. This allows the precipitates to be in a solid solution state.
  • the metal material may be a metal pipe material, and the forming device 1 may perform expansion forming on the heated metal pipe material.
  • the generation of frictional heat between the die and the metal material can be suppressed, and the occurrence of the metal material sticking to the die can be suppressed.
  • the die is pressed against the plate material to cause deformation, so frictional heat between the die and the metal material is large at corners, etc.
  • expansion forming generates less frictional heat than hot stamping, because the expanded and widened metal pipe material is received by the die to form it.
  • the forming device 1 is a forming device that performs hardening by forming a heated metal material, and forms a formed product in which the solid solution state of the precipitates is maintained at the stage after forming and before aging treatment is performed.
  • This molding device 1 can mold a molded product in which the precipitates maintain their solid solution state after molding and before aging treatment is performed. Therefore, in the subsequent aging treatment device 101, the precipitates can be made to be finely dispersed within the molded product (see Figure 8, for example). This can improve the strength of the molded product. In addition, since there is no need to perform solution treatment or the like to improve strength after molding with the molding device 1, a decrease in the dimensional accuracy of the molded product can be suppressed. As a result, the strength of the molded product can be improved while maintaining the dimensional accuracy of the product.
  • the forming method according to one aspect of this embodiment is a forming method for forming a metal material, in which the metal material is heated after solution treatment and artificial aging treatment, formed, and quenched.
  • This molding method can achieve the same effects and advantages as the molding system 100 described above.
  • the metal pipe material 40 after T6 treatment was used as the metal pipe material 40 to be formed in the forming device 1.
  • the treatment applied to the metal pipe material 40 before forming is not limited to T6, as long as it is solution treated and then artificially aged.
  • a metal pipe material 40 that has been solution treated, cold processed, and then artificially aged and hardened may be used.
  • the configuration of the forming device 1 is not particularly limited, and may be changed from the structure shown in Figs. 2 and 3.
  • it may be a forming device that performs hot stamping on a metal material that has been solution treated and artificially aged. After forming, aging treatment is performed in an aging treatment device.

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Abstract

成形システムは、金属材料を成形する成形システムであって、　加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置と、成形装置で成形された成形品の時効処理を行う時効処理装置と、を備え、成形装置においては、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の前記金属材料の成形を行う。

Description

成形システム、成形装置、及び成形方法
　本開示は、成形システム、成形装置、及び成形方法に関する。
　従来、金属材料を成形する成形装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この成形装置は、金属材料をプレスすることによって所望の形状の部品を成形している。
特開２０１３－１８８７９３号公報
　上述のような成形装置で成形された部品は、所定の構造物を構築するために用いられる。例えば、自動車においては、燃費向上や環境保護のために軽量化が進められている。そのため、熱処理型アルミニウム合金などの、溶体化する材料を用いて、加熱、膨張成形を行い、金型との接触による抜熱による急冷を行うことで、成形品への焼き入れを行っている。しかしながら、成形後に成形品に対して時効処理を行っても所望の強度を得られない場合があった。その一方、成形後の成形品に対して溶体化処理などを行うと、寸法精度が低下してしまうという問題がある。
　そこで、本開示は、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる成形システム、成形装置、及び成形方法を提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る成形システムは、金属材料を成形する成形システムであって、　加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置と、成形装置で成形された成形品の時効処理を行う時効処理装置と、を備え、成形装置においては、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の前記金属材料の成形を行う。
　この成形システムでは、成形装置が、加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う。その後、時効処理装置が、成形装置で成形された成形品の時効処理を行う。これに対し、成形装置においては、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属材料の成形を行う。従って、成形装置において、入熱量の少ない態様での急速な加熱を行う場合でも、金属材料の析出物が固溶状態となる。そのため、その後の時効処理装置では、成形品内で、析出物が微細に分散するような状態とすることができる（例えば図８参照）。これにより、成形品の強度を向上することができる。また、成形装置の成形後に、強度向上のための溶体化処理などを行う必要がないため、成形品の寸法精度が低下することも抑制できる。以上より、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる。
　成形装置においては、Ｔ６処理後の金属材料の成形を行ってよい。この場合、時効処理後の成形品の強度を向上することができる。
　金属材料は、アルミニウム合金であってよい。アルミニウム合金は、比重が軽く成形品の軽量化を図ることができる。
　成形装置は、４００℃以上で加熱された金属材料を成形してよい。これにより、析出物が固溶した状態とすることができる。
　金属材料は、金属パイプ材料であって、成形装置は、加熱された金属パイプ材料を膨張成形してよい。この場合、板材のホットスタンプ加工などと異なり、金型と金属材料との間での摩擦熱の発生を抑制することができ、金属材料の金型への焼き付きの発生を抑制できる。
　本開示の一態様に係る成形装置は、加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置であって、成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形する。
　この成形装置は、成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形することができる。そのため、その後の時効処理装置では、成形品内で、析出物が微細に分散するような状態とすることができる（例えば図８を参照）。これにより、成形品の強度を向上することができる。また、成形装置の成形後に、強度向上のための溶体化処理などを行う必要がないため、成形品の寸法精度が低下することも抑制できる。以上より、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる。
　本開示の一態様に係る成形方法は、金属材料を成形する成形方法であって、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属材料を加熱し、成形して焼き入れを行う。
　この成形方法によれば、上述の成形システムと同様の作用・効果を得ることができる。
　本開示によれば、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる成形システム、成形装置、及び成形方法を提供できる。
本開示の実施形態に係る成形システムを示すブロック構成図である。 本開示の実施形態に係る成形装置を示す概略構成図である。 図２（ａ）は、加熱膨張ユニットを示す概略側面図である。図２（ｂ）は、ノズルが金属パイプ材料をシールした時の様子を示す断面図である。 比較例１におけるプロセスイメージを示す概略図である。 比較例１，２における素材温度及び強度と、時間との関係を示す図である。 比較例３における素材温度及び強度と、時間との関係を示す図である。 比較例４における素材温度及び強度と、時間との関係を示す図である。 実施例における素材温度及び強度と、時間との関係を示す図である。 比較例２及び実施例におけるビッカース硬さと時効時間との関係を示すグラフである。 Ｔ６処理材を急速加熱・水冷した後、人工時効および自然時効を行った時の加熱温度と硬さの関係を示すグラフである。 析出強化型アルミニウム合金の熱時効時間と強度、析出物サイズ、析出物密度の関係のイメージを示すグラフである。 比較例１、及び比較例２の製造工程における素材中の析出物サイズ、及び析出物密度の変化の過程を示すイメージ図である。
　以下、本開示による成形装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　図１は、本実施形態に係る成形システム１００のブロック構成図である。成形システム１００は、金属材料を成形するシステムである。本実施形態では、金属材料として、アルミニウム合金の金属パイプ材料が採用される。これにより、成形品として金属パイプが成形される。なお、金属材料は、溶体化処理ができるものであればよく、アルミニウム合金に限定されず、ニッケル合金などが採用されてもよい。
　図１に示すように、成形システム１００は、成形装置１と、時効処理装置１０１と、を備える。成形装置１は、加熱された金属材料を膨張成形することによって焼き入れを行う装置である。成形装置１は、ＳＴＡＦ（Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｅ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｍｉｎｇ）成形と称される成形方法により、金属パイプを成形する。
　時効処理装置１０１は、成形装置１で成形された金属パイプの時効処理を行う装置である。時効処理装置１０１は、例えば、成形直後の金属パイプを所定の時間加熱する炉などによって構成される。成形後の金属パイプは、成形装置１から取り出され、搬送機構などによって時効処理装置１０１へ搬送される。時効処理装置１０１は、例えば、１００～１７０℃にて、１２～２４時間の加熱を行う。
　次に、図２及び図３を参照して、成形装置１の一例について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る成形装置１の概略構成図である。図２に示すように、成形装置１は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。本実施形態では、成形装置１は、水平面上に設置される。成形装置１は、成形型２と、駆動機構３と、保持部４と、加熱部５と、流体供給部６と、冷却部７と、制御部８と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプ材料４０（金属材料）は、成形装置１での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料４０は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料４０が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。
　成形型２は、金属パイプ材料４０から金属パイプを成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型１１及び上側の金型１２を備える。下側の金型１１及び上側の金型１２は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型１１及び上側の金型１２のそれぞれには、金属パイプ材料４０が収容される凹部が設けられる。下側の金型１１と上側の金型１２は、互いに密接した状態（型閉状態）で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形型２の成形面となる。下側の金型１１は、ダイホルダ等を介して基台１３に固定される。上側の金型１２は、ダイホルダ等を介して駆動機構３のスライドに固定される。
　駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２の少なくとも一方を移動させる機構である。図２では、駆動機構３は、上側の金型１２のみを移動させる構成を有する。駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２同士が合わさるように上側の金型１２を移動させるスライド２１と、上記スライド２１を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ２２と、スライド２１を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ２３と、メインシリンダ２３に駆動力を付与する駆動源２４と、を備えている。
　保持部４は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に配置される金属パイプ材料４０を保持する機構である。保持部４は、成形型２の長手方向における一端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、成形型２の長手方向における他端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、を備える。長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７は、金属パイプ材料４０の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料４０を保持する。なお、下側電極２６の上面及び上側電極２７の下面には、金属パイプ材料４０の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極２６及び上側電極２７には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。
　加熱部５は、金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、金属パイプ材料４０へ通電することで当該金属パイプ材料４０を加熱する機構である。加熱部５は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間にて、下側の金型１１及び上側の金型１２から金属パイプ材料４０が離間した状態にて、当該金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、上述の長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７と、これらの電極２６，２７を介して金属パイプ材料４０へ電流を流す電源２８と、を備える。なお、加熱部は、成形装置１の前工程に配置し、外部で加熱をするものであっても良い。
　流体供給部６は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に保持された金属パイプ材料４０内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部６は、加熱部５で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料４０に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料４０を膨張させる。流体供給部６は、成形型２の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部６は、金属パイプ材料４０の端部の開口部から当該金属パイプ材料４０の内部へ流体を供給するノズル３１と、ノズル３１を金属パイプ材料４０の開口部に対して進退移動させる駆動機構３２と、ノズル３１を介して金属パイプ材料４０内へ高圧の流体を供給する供給源３３と、を備える。駆動機構３２は、流体供給時及び排気時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部から離間させる。なお、流体供給部６は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部６は、金属パイプ材料４０を上下方向へ移動する機構を有する保持部４とともに、加熱部５を含めて同一装置としても良い。
　保持部４、加熱部５、及び流体供給部６の構成要素は、ユニット化された加熱膨張ユニット１５０として構成されてよい。図３（ａ）は、加熱膨張ユニット１５０を示す概略側面図である。図３（ｂ）は、ノズル３１が金属パイプ材料４０をシールした時の様子を示す断面図である。
　図３（ａ）に示すように、加熱膨張ユニット１５０は、上述の下側電極２６及び上側電極２７と、各電極２６，２７を搭載した電極搭載ユニット１５１、上述のノズル３１及び駆動機構３２と、昇降ユニット１５２と、ユニットベース１５３と、を備える。電極搭載ユニット１５１は、昇降フレーム１５４と、電極フレーム１５６，１５７と、を備える。電極フレーム１５６，１５７は、各電極２６，２７を支持して移動させる駆動機構６０の一部として機能する。駆動機構３２は、ノズル３１を駆動させ、電極搭載ユニット１５１と共に昇降する。駆動機構３２は、ノズル３１を保持するピストン６１と、ピストンを駆動させるシリンダ６２とを備えている。昇降ユニット１５２は、ユニットベース１５３の上面に取り付けられる昇降フレームベース６４と、これらの昇降フレームベース６４によって、電極搭載ユニット１５１の昇降フレーム１５４に対して昇降動作を付与する昇降用アクチュエータ６６とを備えている。昇降フレームベース６４は、ユニットベース１５３に対する昇降フレーム１５４の昇降動作をガイドするガイド部６４ａ，６４ｂを有する。昇降ユニット１５２は、保持部４の駆動機構６０の一部として機能する。加熱膨張ユニット１５０は、上面の傾斜角度が異なる複数のユニットベース１５３を有し、これらを交換することにより、下側電極２６及び上側電極２７、ノズル３１、電極搭載ユニット１５１、駆動機構３２、昇降ユニット１５２の傾斜角度を一括的に変更調節することを可能としている。
　ノズル３１は、金属パイプ材料４０の端部を挿入可能な円筒部材である。ノズル３１は、当該ノズル３１の中心線が基準線ＳＬ１と一致するように、駆動機構３２に支持されている。金属パイプ材料４０側のノズル３１の端部の供給口３１ａの内径は、膨張成形後の金属パイプ材料４０の外径に略一致している。この状態で、ノズル３１は、内部の流路６３から高圧の流体を金属パイプ材料４０に供給する。なお、高圧流体の一例としては、ガスなどが挙げられる。
　図２に戻り、冷却部７は、成形型２を冷却する機構である。冷却部７は、成形型２を冷却することで、膨張した金属パイプ材料４０が成形型２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を急速に冷却することができる。冷却部７は、下側の金型１１及び上側の金型１２の内部に形成された流路３６と、流路３６へ冷却水を供給して循環させる水循環機構３７と、を備える。
　制御部８は、成形装置１全体を制御する装置である。制御部８は、駆動機構３、保持部４、加熱部５、流体供給部６、及び冷却部７を制御する。制御部８は、金属パイプ材料４０を成形型２で成形する動作を繰り返し行う。
　具体的に、制御部８は、例えば、ロボットアーム等の搬送装置からの搬送タイミングを制御して、開いた状態の下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置する。あるいは、制御部８は、作業者が手動で下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置してよい。また、制御部８は、長手方向の両側の下側電極２６で金属パイプ材料４０を支持し、その後に上側電極２７を降ろして当該金属パイプ材料４０を挟むように、保持部４のアクチュエータ等を制御する。また、制御部８は、加熱部５を制御して、金属パイプ材料４０を通電加熱する。これにより、金属パイプ材料４０に軸方向の電流が流れ、金属パイプ材料４０自身の電気抵抗により、金属パイプ材料４０自体がジュール熱によって発熱する。
　制御部８は、駆動機構３を制御して上側の金型１２を降ろして下側の金型１１に近接させ、成形型２の型閉を行う。その一方、制御部８は、流体供給部６を制御して、ノズル３１で金属パイプ材料４０の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料４０が膨張して成形型２の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料４０は、成形型２の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型１１と上側の金型１２との間の隙間に金属パイプ材料４０の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料４０が成形面に接触すると、冷却部７で冷却された成形型２で急冷されることによって、金属パイプ材料４０の焼き入れが実施される。
　次に、本実施形態に係る成形システム１００、及び成形装置１の特徴について詳細に説明する。まず、本実施形態に係る成形システム１００に対する比較例１として、析出強化型アルミニウム合金板材を用いた一般的な熱間成形プロセス（例：ホットスタンプ加工など）を例示する。図４は、比較例１におけるプロセスイメージを示す概略図である。図４に示すように、比較例１では、加熱炉２０２が５００℃程度で板材２１０の加熱を行う。板材２１０は、鋳造材、押出材など、事前に溶体化処理などがなされていない状態の素材である。次に、成形装置２００が板材２１０を成形品２１１に成形する。このとき、成形品２１１の急冷による焼き入れが行われる。加熱炉２０２及び成形装置２００の処理は、溶体化処理に該当する。次に、時効処理装置２０１が、成形品２１１の人工時効の処理を行う。
　図５（ａ）は、比較例１における、素材温度と時間との関係を示すグラフＧＡ１、及び素材の強度と時間との関係を示すグラフＧＡ２が示されている。図５（ａ）に示すように、比較例１では、板材２１０を炉加熱により溶体化処理相当温度まで加熱保持後、成形装置２００で金型による焼入れ・成形を施している。また、比較例１では、時効処理装置２０１でＴ６処理と称される人工時効処理（１０～２４時間）をすることで所望の強度を得ている。図中の「ＰＡ１」は溶体化温度で数分保持している箇所である。「ＰＡ２」は、熱間プレスを行っている箇所である。「ＰＡ３」は、ダイクエンチを行っている箇所である。「ＰＡ４」は、人工時効処理を行っている箇所である。
　次に、比較例２として、鋳造材、押出材など、事前に溶体化処理などがなされていない状態の金属パイプ材料を用いてＳＴＡＦ成形（図２及び図３に示す成形装置を用いた成形）を行うものを例示する。図５（ｂ）は、比較例２における、素材温度と時間との関係を示すグラフＧＢ１、及び素材の強度と時間との関係を示すグラフＧＢ２が示されている。図中の「ＰＢ１」は通電加熱を行っている箇所である。「ＰＢ２」は、膨張成形を行っている箇所である。「ＰＢ３」は、人工時効処理を行っている箇所である。
　図５（ｂ）に示すように、ＳＴＡＦ成形の成形プロセスでは、加熱方法が通電加熱であることから、急速昇温かつ加熱温度到達時の保持工程がない。そのため、図中の「Ａ」で示すように、十分な溶体化処理時間が確保されない。そのため、グラフＧＢ２に示すように、人工時効処理後であっても、Ｔ６処理相当の所望の強度が得られない。これに対し、ＳＴＡＦ成形プロセスにおいて、通電加熱、成形後にＴ６処理を行うことで所望の強度を得ることができる。Ｔ６処理は、金属パイプ材料の溶体化処理後、人工時効処理を行うことである。しかしながら、このようなプロセスを採用した場合、溶体化処理時の急冷により部品の部位ごとの冷却速度差により変形が生じるため、寸法精度が確保できないという問題が生じる。
　次に、比較例３として、Ｔ６処理後の板材を用いたホットスタンプ加工を例示する。比較例３では、加熱炉で板材の加熱を行う。次に、成形装置が板材の成形を行う。加熱炉及び成形装置として、図４に示すものが用いられてよい。図６は、比較例３における、素材温度と時間との関係を示すグラフＧＦ１、及び素材の強度と時間との関係を示すグラフＧＦ２が示されている。図６に示すように、比較例３は、板材を炉加熱により２００～３００℃まで加熱後、成形装置で金型による焼入れ・成形を施している。図中の「ＰＦ１」は加熱を行っている箇所である。「ＰＦ２」は、熱間プレスを行っている箇所である。「ＰＦ３」は、ダイクエンチを行っている箇所である。比較例３では、加熱温度が低いため成形時の変形抵抗が高くなり、成形形状に制約が出るという問題がある。
　次に、比較例４として、溶体化処理材板を用いたホットスタンプ加工を例示する。この板材は、溶体化処理の後に人工時効処理はなされていない。比較例４では、加熱炉で板材の加熱を行う。次に、成形装置が板材の成形を行う。次に、時効処理装置でＴ６処理と称される人工時効処理（１０～２４時間）をすることで所望の強度を得ている。加熱炉、成形装置及び時効処理装置として、図４に示すものが用いられてよい。図７は、比較例４における、素材温度と時間との関係を示すグラフＧＨ１、及び素材の強度と時間との関係を示すグラフＧＨ２が示されている。図７に示すように、比較例４は、板材を炉加熱により３５０～４５０℃まで加熱後、成形装置で金型による焼入れ・成形を施し、人工時効処理を行っている。図中の「ＰＨ１」は加熱を行っている箇所である。「ＰＨ２」は、熱間プレスを行っている箇所である。「ＰＨ３」は、ダイクエンチを行っている箇所である。「ＰＨ４」は、人工時効処理を行っている箇所である。
　比較例４においては、溶体化処理後の素材を用いているため、素材は過飽和状態（すなわち、材料が熱的に不安定な状態）であるため、素材の保管状態（時間、温度など）によっては、プレス成形前に自然時効が進行する。これにより、プレス加工、人工時効後に、強度がばらつくという問題が生じる（仮想線のＧＨ２ｘ参照）。また、比較例４では、加熱温度を５００℃以上の高温にすると、加工時に金型と素材の間の摩擦熱により金型への焼き付きが発生してしまう。
　上述の比較例の問題を解決するため、本実施形態に係る成形システム１００は、成形装置１において、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属パイプ材料４０の成形を行う。成形装置１においては、Ｔ６処理後の金属パイプ材料４０の成形を行う。Ｔ６処理後の金属パイプ材料４０を用いて通電加熱、成形、及び人工時効処理を行うことで、成形システム１００の成形品として、Ｔ６処理材同等の強度を得ることができる。
　図８は、実施形態に係る成形システム１００における、素材温度と時間との関係を示すグラフＧＫ１、及び素材の強度と時間との関係を示すグラフＧＫ２が示されている。図中の「ＰＫ１」は通電加熱を行っている箇所である。ここでは、加熱温度を４００～６１０℃まで加熱している。６１０℃は、溶融温度以下の温度である。「ＰＫ２」は、膨張成形を行っている箇所である。「ＰＫ３」は、人工時効処理を行っている箇所である。
　図９（ａ）は、比較例２のように、成形素材として、Ｔ６処理を施していない素材（鋳造のまま、押出のままの素材）を用いた場合の時効特性を示す。図９（ｂ）は、成形素材として、Ａ６０６３ Ｔ６処理材を用い（実施例）、加熱温度５２０℃まで急速加熱・水冷した後、人工時効および自然時効を行った時の時効特性を示す。図９（ａ）には、自然時効の特性を示すグラフＧＣ１と、人工時効の特性を示すグラフＧＣ２と、が示される。また、図９（ａ）には、焼きなまし後硬さ（２７．０ＨＶ）を示す基準線ＳＴ１と、Ｔ６処理材硬さ（８２．４ＨＶ）を示す基準線ＳＴ２と、が示される。図９（ｂ）には、自然時効の特性を示すグラフＧＤ１と、人工時効の特性を示すグラフＧＤ２と、が示される。また、図９（ｂ）には、Ｔ６処理材硬さ（８２．４ＨＶ）を示す基準線ＳＴ２と、が示される。
　図９（ａ）に示すように、Ｔ６処理を施さない素材は、人工時効処理をしても硬さの増加はわずかである。これに対し、図９（ｂ）に示すように、Ｔ６処理を施した素材は、人工時効時間とともに硬さが増加し、約１２時間でＴ６処理材と同等硬さを示す。すなわち、急速加熱においても溶体化処理が施されていることが言える。
　図１０は、Ａ６０６３ Ｔ６処理材を加熱温度２００～５２０℃まで急速加熱・水冷した後、人工時効および自然時効を行った時の加熱温度と硬さの関係を示すグラフである。図１０には、水冷後の加熱温度と硬さの関係を示すグラフＧＬが示されている。加熱温度４００℃では人工時効１６時間で、加熱温度５２０℃では人工時効１２時間でＴ６処理材同等の硬さを得ることができる。人工時効で得られる硬さは、７日間の自然時効で得られる硬さより硬い。　
　図１１は、析出強化型アルミニウム合金の熱時効時間と強度（グラフＧＥ１）、析出物サイズ（グラフＧＥ２）、析出物密度（グラフＧＥ３）の関係のイメージを示すグラフである。図１１のグラフの上段側には、熱時効時間の経過と共に、素材における析出物が析出するイメージが示されている。初期段階においては、析出物を構成する原子が完全に固溶化した状態である（状態１）。熱時効時間が進行すると、析出物を構成する原子が少しづつ析出する過程の状態となる（状態２）。更に熱時効時間が進行すると、析出物を構成する原子が完全に析出した状態となる（状態３）。析出物の数密度及び析出物サイズも増加する。時効時間が進行し、強度のピークを超えた後、状態３に対し、析出物サイズが粗大化した状態となる（状態４）。更に熱時効時間が進行すると、互いの析出物が結合しながらサイズが増加する過程の状態となる（状態５）。なお、ピークを超えた後の数密度は減少する（オストワルド成長）。このように、「状態３」とすることで、素材の強度を高くすることができる。
　図１２は、比較例１、及び比較例２の製造工程における素材中の析出物サイズ、及び析出物密度の変化の過程を示すイメージ図である。また、図６～８及び図１２では、各比較例または実施例について、加工工程における素材内の析出物の状態が、図１１において説明した状態１～状態５と対応づけられている。
　比較例１について、素材状態では溶体化＋人工事項処理材であることにより、析出物が微細に分散する（状態３）。加熱すると、炉加熱による加熱工程で十分な入熱があるため析出物が固溶する（状態０）。成形急冷後には、急冷により析出物が析出することなく、固溶状態が維持される（状態１）。最後に、人工時効により析出物が微細に分散する（状態３）。なお、ホットスタンプ加工で素材として、Ｔ６処理後の素材を用いた場合にも、加熱工程以降は上記と同様の組織を示す。
　比較例２について、素材状態では析出物が大きく（状態５）、且つ、ＳＴＡＦ成形における通電加熱は、急速昇温かつ温度保持工程がない。すなわち素材に対する入熱が少ないため、析出物が固溶しない（状態５）。よって、成形急冷、及び人工時効工程を経ても組織は変化しない（状態５）。
　図６に示すように、比較例３について、素材(Ｔ６処理材板)では析出物が微細に分散する（状態３）。加熱工程で析出物サイズが大きくなり（状態４）、その後の成形工程で加工ひずみが付与されるが、加熱時の熱エネルギー付与によりＴ６処理材強度より低くなる。
　図７に示すように、比較例４について、素材(溶体化処理材板)では析出物が固溶している（状態１）。加熱工程では温度３５０～４５０℃に加熱後、ただちに金型による冷却をするため、析出物の生成が抑制される（状態２）。その後、人工時効処理をすることで、Ｔ６処理相当の強度を得ることができる（状態３）。
　図８に示すように、実施例について、素材としてＴ６処理後のものを用いるため、素材状態で析出物が微細に分散している（状態３）。加熱工程で温度４００～６１０℃に加熱することで、析出物が固溶する（状態１）。成形急冷後には、急冷により析出物が析出することなく、固溶状態が維持される（状態１）。最後に、人工時効により析出物が微細に分散する（状態３）。これにより、Ｔ６処理相当の強度を得ることができる。
　図８に示す工程において、成形装置１による成形直後の状態は、「成形急冷後」に示す「状態１」の状態に対応する。その後に、時効処理装置１０１にて人工時効が行われ、「人工時効後」の状態になる。図８に示すように、本実施形態に係る成形装置１は、成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形する。
　次に、本実施形態に係る成形システム１００、成形装置１、及び成形方法の作用・効果について説明する。
　この成形システム１００では、成形装置１が、加熱された金属材料を膨張成形することによって焼き入れを行う。その後、時効処理装置１０１が、成形装置１で成形された成形品の時効処理を行う。これに対し、成形装置１においては、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属材料の成形を行う。従って、成形装置１において、入熱量の少ない態様での急速な加熱を行う場合でも、金属材料の析出物が固溶状態となる。そのため、その後の時効処理装置１０１では、成形品内で、析出物が微細に分散するような状態とすることができる（例えば図８の「実施例」を参照）。これにより、成形品の強度を向上することができる。また、成形装置１の成形後に、強度向上のための溶体化処理などを行う必要がないため、成形品の寸法精度が低下することも抑制できる。以上より、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる。
　成形装置１においては、Ｔ６処理後の金属材料の成形を行ってよい。この場合、時効処理後の成形品の強度を向上することができる。また、Ｔ６処理後の金属材料は、熱的に安定な状態であることから、保管状態への素材品質ばらつきを小さくすることができる。
　金属材料は、アルミニウム合金であってよい。アルミニウム合金は、比重が軽く成形品の軽量化を図ることができる。
　成形装置１は、４００℃以上で加熱された金属材料を成形してよい。これにより、析出物が固溶した状態とすることができる。
　金属材料は、金属パイプ材料であって、成形装置１は、加熱された金属パイプ材料を膨張成形してよい。この場合、板材のホットスタンプ加工などと異なり、金型と金属材料との間での摩擦熱の発生を抑制することができ、金属材料の金型への焼き付きの発生を抑制できる。例えば、図４のホットスタンプ加工の成形装置２００に示すように、金型を板材に押圧することで変形させるため、角部などには、金型と金属材料との間での摩擦熱が大きくなる。これに対し、膨張成形は、膨張して広がった金属パイプ材料を金型で受けることで成形するため、ホットスタンプ加工に比して摩擦熱が少ない。
　本実施形態に係る成形装置１は、加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置１であって、成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形する。
　この成形装置１は、成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形することができる。そのため、その後の時効処理装置１０１では、成形品内で、析出物が微細に分散するような状態とすることができる（例えば図８を参照）。これにより、成形品の強度を向上することができる。また、成形装置１の成形後に、強度向上のための溶体化処理などを行う必要がないため、成形品の寸法精度が低下することも抑制できる。以上より、成形品の寸法精度を確保しながら、強度を向上できる。
　本実施形態の一態様に係る成形方法は、金属材料を成形する成形方法であって、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属材料を加熱し、成形して焼き入れを行う。
　この成形方法によれば、上述の成形システム１００と同様の作用・効果を得ることができる。
　本開示は、上述の実施形態に限定されない。
　例えば、上述の実施形態では、成形装置１での成形が行われる金属パイプ材料４０として、Ｔ６処理後の金属パイプ材料４０が採用されていた。しかし、成形前の金属パイプ材料４０に適用される処理は、溶体化処理をして、人工時効処理をしたものであればＴ６に限定されない。例えば、溶体化処理後、冷感加工を行い、更に人工時効硬化処理がなされた金属パイプ材料４０が用いられてもよい。
　成形装置１の構成は特に限定されず、図２及び図３に示す構造から変更されてもよい。例えば、溶体化処理をして、人工時効処理をした金属材料をホットスタンプ加工する成形装置であってもよい。成形後、時効処理装置での時効処理がなされる。
　１…成形装置、４０…金属パイプ材料（金属材料）、１００…成形システム、１０１…時効処理装置。

Claims (7)

  1. 　金属材料を成形する成形システムであって、
    　加熱された前記金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置と、
    　前記成形装置で成形された成形品の時効処理を行う時効処理装置と、を備え、
    　前記成形装置においては、溶体化処理をして、人工時効処理をした後の前記金属材料の成形を行う、成形システム。
  2. 　前記成形装置においては、Ｔ６処理後の前記金属材料の成形を行う、請求項１に記載の成形システム。
  3. 　前記金属材料は、アルミニウム合金である、請求項１に記載の成形システム。
  4. 　前記成形装置は、４００℃以上で加熱された前記金属材料を成形する、請求項１に記載の成形システム。
  5. 　前記金属材料は、金属パイプ材料であって、
    　前記成形装置は、加熱された前記金属パイプ材料を膨張成形する、請求項１に記載された成形システム。
  6. 　加熱された金属材料を成形することによって焼き入れを行う成形装置であって、
    　成形後であって時効処理が行われる前段階において、析出物の固溶状態が維持された成形品を成形する、成形装置。
  7. 　金属材料を成形する成形方法であって、
    　溶体化処理をして、人工時効処理をした後の金属材料を加熱し、成形して焼き入れを行う、成形方法。
     
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